Pilotplanta

Stor pilotanläggning under uppbyggnad

En pilotanläggning är ett förkommersiellt produktionssystem som använder ny produktionsteknik och/eller producerar små volymer av nya teknikbaserade produkter, främst i syfte att lära sig om den nya tekniken. Den erhållna kunskapen används sedan för design av fullskaliga produktionssystem och kommersiella produkter, samt för identifiering av ytterligare forskningsmål och stöd för investeringsbeslut. Andra (icke-tekniska) syften är att få offentligt stöd för ny teknik och att ifrågasätta statliga regleringar. Pilotanläggning är en relativ term i den meningen att pilotanläggningar vanligtvis är mindre än fullskaliga produktionsanläggningar, men byggs i en mängd olika storlekar. Eftersom pilotanläggningar är avsedda för lärande är de vanligtvis mer flexibla, möjligen på bekostnad av ekonomin. Vissa pilotanläggningar byggs i laboratorier med hjälp av lagerutrustning, medan andra kräver betydande ingenjörsinsatser, kostar miljontals dollar och är specialmonterade och tillverkade av processutrustning, instrumentering och rörledningar. De kan också användas för att utbilda personal för en fullskalig anläggning. Pilotanläggningar tenderar att vara mindre jämfört med demonstrationsanläggningar.

Terminologi

Ett ord som liknar pilotanläggning är pilotlinje . Pilotanläggningar och pilotlinjer har i huvudsak samma funktioner, men "pilotanläggning" används i samband med (bio)kemiska och avancerade materialproduktionssystem, medan "pilotlinje" används för ny teknik i allmänhet. Termen 'kilolab' används också för små pilotanläggningar som syftar på förväntade produktionskvantiteter.

Riskhantering

Pilotanläggningar används för att minska risken i samband med byggande av stora processanläggningar. De gör det på flera sätt:

  • Datorsimuleringar och semi-empiriska metoder används för att bestämma pilotskalsystemets begränsningar. Dessa matematiska modeller testas sedan i en anläggning i fysisk pilotskala. Olika modelleringsmetoder används för uppskalning. Dessa metoder inkluderar:
    • Studier av kemiska likheter
    • Matematisk modellering
      • Kemisk processsimulering
      • Finita elementaranalys (FEA)
        Pilotanläggning för hydrokrackning
      • Computational Fluid Dynamics (CFD)
Dessa teoretiska modelleringsmetoder returnerar följande:
  • Slutförda mass- och energibalanser
  • Optimerad systemdesign och kapacitet
  • Utrustningskrav
  • Systembegränsningar
  • Grunden för att bestämma kostnaden för att bygga pilotmodulen
  • De är betydligt billigare att bygga än fullskaliga anläggningar. Verksamheten inte lika mycket kapital på ett projekt som kan vara ineffektivt eller omöjligt . Vidare kan designändringar göras billigare i pilotskala och veck i processen kan utarbetas innan den stora anläggningen byggs.
  • De tillhandahåller värdefull data för design av fullskalig anläggning. Vetenskapliga data om reaktioner, materialegenskaper, korrosivitet, till exempel, kan finnas tillgängliga, men det är svårt att förutsäga beteendet hos en process av någon komplexitet. Tekniska data från andra processer kan vara tillgängliga, men dessa data kan inte alltid tydligt tillämpas på processen av intresse. Designers använder data från pilotanläggningen för att förfina sin design av produktionsanläggningen.

Om ett system är väldefinierat och de tekniska parametrarna är kända, används inte pilotanläggningar. Till exempel kan ett företag som vill utöka produktionskapaciteten genom att bygga en ny anläggning som gör samma sak som en befintlig anläggning välja att inte använda en pilotanläggning.

Dessutom har framsteg inom processimulering på datorer ökat förtroendet hos processdesigners och minskat behovet av pilotanläggningar. Men de används fortfarande eftersom till och med toppmodern simulering inte kan förutsäga beteendet hos komplexa system.

Skalberoende av växtegenskaper

När ett system ökar i storlek kan systemegenskaper som beror på mängden materia (med omfattande egenskaper) ändras. Förhållandet ytarea till vätska i en kemisk anläggning är ett bra exempel på en sådan egenskap. I liten kemisk skala, i en kolv, säg, finns det ett relativt stort förhållande mellan ytarea och vätska. Men om reaktionen i fråga skalas upp för att passa i en 500-liters tank, blir förhållandet mellan ytarea och vätska mycket mindre. Som ett resultat av denna skillnad i förhållande mellan ytarea och vätska förändras termodynamikens exakta natur och processens reaktionskinetik på ett icke-linjärt sätt. Det är därför en reaktion i en bägare kan bete sig väldigt annorlunda än samma reaktion i en storskalig produktionsprocess.

Andra faktorer

Andra faktorer som kan förändras under omvandlingen till en produktionsskala inkluderar:

  • Reaktionskinetik
  • Kemisk jämvikt
  • Materialegenskaper
  • Vätskedynamik
  • Termodynamik
  • Utrustningsval
  • Agitation
  • Enhetlighet / homogenitet

Efter att data har samlats in från driften av en pilotanläggning kan en anläggning i större produktionsskala byggas. Alternativt kan en demonstrationsanläggning, som vanligtvis är större än en pilotanläggning, men mindre än en fullskalig produktionsanläggning, byggas för att visa processens kommersiella genomförbarhet. Företag fortsätter ibland att driva pilotanläggningen för att testa idéer för nya produkter, nya råvaror eller andra driftsförhållanden. Alternativt kan de drivas som produktionsanläggningar, vilket ökar produktionen från huvudanläggningen.

Bänkskala vs pilot vs demonstration

Skillnaderna mellan bänkskala, pilotskala och demonstrationsskala påverkas starkt av industri och tillämpning. Vissa industrier använder pilotanläggning och demonstrationsanläggning omväxlande. Vissa pilotanläggningar är byggda som bärbara moduler som enkelt kan transporteras som en innesluten enhet.

För batchprocesser, i exempelvis läkemedelsindustrin, utförs bänkskala vanligtvis på prover 1–20 kg eller mindre, medan pilotskalatestning utförs med prover på 20–100 kg. Demonstrationsskala är i huvudsak att driva utrustningen med fulla kommersiella matningshastigheter under långa tidsperioder för att bevisa driftsstabilitet.

För kontinuerliga processer, till exempel inom petroleumindustrin, är system i bänkskala typiskt mikroreaktor- eller CSTR-system med mindre än 1000 ml katalysator, som studerar reaktioner och/eller separationer på en engångsbasis. Pilotanläggningar kommer vanligtvis att ha reaktorer med katalysatorvolymer mellan 1 och 100 liter, och kommer ofta att inkorporera produktseparering och gas/vätskeåtervinning med målet att stänga massbalansen. Demonstrationsanläggningar, även kallade semi-works plants, kommer att studera livsdugligheten för processen i förkommersiell skala, med typiska katalysatorvolymer i intervallet 100 - 1000 liter. Utformningen av en anläggning i demonstrationsskala för en kontinuerlig process kommer nära att likna den för den förväntade framtida kommersiella anläggningen, om än med en mycket lägre genomströmning, och dess mål är att studera katalysatorprestanda och driftslivslängd under en längre period, samtidigt som den genererar betydande kvantiteter av produkt för marknadstestning.

Vid utvecklingen av nya processer kommer design och drift av pilot- och demonstrationsanläggningen ofta att löpa parallellt med designen av den framtida kommersiella anläggningen, och resultaten från pilottestprogram är nyckeln till att optimera det kommersiella flödesschemat. Det är vanligt i fall där processteknik har implementerats framgångsrikt att besparingarna i kommersiell skala till följd av pilottestning avsevärt kommer att uppväga kostnaden för själva pilotanläggningen.

Steg för att skapa en anpassad pilotanläggning

Anpassade pilotanläggningar är vanligtvis utformade antingen för forskningsändamål eller kommersiella ändamål. De kan variera i storlek från ett litet system utan automatisering och lågt flöde, till ett högautomatiserat system som producerar relativt stora mängder produkter på en dag. Oavsett storlek är stegen för att designa och tillverka en fungerande pilotanläggning desamma. Dom är:

  1. Pre-engineering - färdigställande av ett processflödesdiagram (PFD), grundläggande rörlednings- och instrumenteringsdiagram (P&ID) och initiala utrustningslayouter.
  2. Teknisk modellering och optimering - 2D- och 3D-modeller skapas, med hjälp av en simuleringsprogramvara för att modellera processparametrarna och skala de kemiska processerna. Dessa modelleringsprogram hjälper till att fastställa systembegränsningar, icke-linjära kemiska och fysikaliska förändringar och potentiella utrustningsstorlekar. Mass- och energibalanser, färdigställda P&ID och översiktsritningar tas fram.
  3. Automatiseringsstrategier för systemet utvecklas (vid behov). Programmering av styrsystem börjar och kommer att fortsätta genom tillverkning och montering
  4. Tillverkning och montering - efter att en optimerad design har fastställts, tillverkas och monteras den skräddarsydda piloten. Pilotanläggningar kan antingen monteras på plats eller utanför anläggningen som modulära medar som kommer att konstrueras och testas i en kontrollerad miljö.
  5. Testning - testning av färdiga system, inklusive systemkontroller, utförs för att säkerställa korrekt systemfunktion.
  6. Installation och start - om de är konstruerade utanför anläggningen, installeras pilotskids på plats. När all utrustning är på plats slutförs fullständig systemstart genom att systemet integreras med befintliga anläggningsverktyg och kontroller. Full funktion testas och bekräftas.
  7. Utbildning - operatörsutbildning är klar och fullständig systemdokumentation överlämnas.

Se även

Bibliografi

  •   M. Levin (redaktör), Pharmaceutical Process Scale-Up (Drugs and the Pharmaceutical), Informa Healthcare, 3:e upplagan, ISBN 978-1616310011 (2011)
  •   M. Lackner (Redaktör), Scale-up in Combustion, ProcessEng Engineering GmbH, Wien, ISBN 978-3-902655-04-2 (2009).
  •   M. Zlokarnik, Scale-up in Chemical Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2:a upplagan, ISBN 978-3527314218 (2006).
  • Richard Palluzi, Pilot Plants: Design, Construction and Operation, McGraw-Hill, februari 1992.
  • Richard Palluzi, Pilotanläggningar, Kemiteknik, mars 1990.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pilot_plant&oldid=1116357318 "